脱硝烟气流量计在测量蒸汽时产生误差的来源及解决

蒸汽是工业生产中重要的能量传导物，有时也作为重要的中间介质，对于蒸汽流量计的测量的流量计的种类有很多种，常见的有孔板流量计、脱硝烟气流量计，这两种流量计在蒸汽流量测量中都有着非常广泛的应用，由于蒸汽分为饱和蒸汽和过热蒸汽，并且蒸汽的传输过程中存在气液两相性的特点，蒸汽的性质跟温度与压力密切相关，导致对于蒸汽的测量成为并不简单的事情。本文就是针对于蒸汽流量测量中容易发生的蒸汽相变、密度不准确、信号传递失真引起的测量误差，具体分析了产生的来源。并根据不同的信号制式，提出了相应的补偿运算公式和方法。对解决贸易计量纠纷、提高蒸汽流量测量准确度，提出了切实可行的探讨方案。
1、蒸汽流量测量误差的来源
在脱硝烟气流量计流量测量中，蒸汽流量是*容易产生问题的一个流体，特别是在供热结算计量方面，常常发生供收双方总量不能相符的矛盾而难以解决。虽然可测蒸汽流量的仪表有很多，但本文这里不谈各类流量仪表在测量蒸汽流量时的优缺点，而是想就蒸汽流量测量发生误差的其它来源及解决方法，谈一点本人的粗浅看法与大家探讨。
1）蒸汽相变对测量的影响。
2）饱和蒸汽密度失准的问题。
3）测量信号传递失真问题。
1.1 蒸汽相变对测量的影响
蒸汽相变问题在实际使用中时有发生，所谓蒸汽相变就是：在输送过程中原本饱和蒸汽变为过热蒸汽了，或是过热蒸汽变为饱和蒸汽了。蒸汽产生相变主要发生在管道输送过程中或使用场合，饱和蒸汽变为过热蒸汽，一般发生在湿饱和蒸汽被较大幅度快速减压，温度随之也降低，如果相变前的湿饱和蒸汽含水滴较少，则温度降低后会仍然高于新的压力对应的饱和温度，则蒸汽由原来的饱和状态变为过热状态。而过热蒸汽变为饱和蒸汽，一般是由于长距离输送的热损使温度降低，当温度低于或等于该压力对应的饱和温度时便进入饱和状态。蒸汽发生相变对流量测量的影响可分为几种情况.
a）饱和蒸汽发生变化后，仍然未脱离饱和状态，只是与变化前的压力、温度不同而处于一种新的饱和状态。这种情况只要系统有补偿仪表，且饱和蒸汽的干度较高，对测量无影响。
b）饱和蒸汽相变后成为过热蒸汽。如果设计时就考虑到有可能会产生相变，测量系统采用的是压力和温度双补偿，而且蒸汽密度是采用IFC1967 公式动态计算的，则这个相变对测量无影响。如果蒸汽密度采用查表法，这就要求运算仪表内除了装有《饱和蒸汽密度表》外，还应装有《过热蒸汽密度表》及相应的判断程序。采用查表法需要的两个数表和判断程序，缺少任何一个都会对流量测量带来误差。
c）饱和蒸汽测量系统采用的是单压力或单温度补偿，相变后对测量就会带来误差，现举例说明。一饱和蒸汽测量系统，采用单参数补偿，现场实际表压为0.5MPa，实际温度170℃。从上述压力和温度看，目前该蒸汽已经变为“过热”状态，其密度为3.0706kg/m3。
如果采用单压力补偿，依据0.5MPa 查饱和蒸汽表得到密度为3.1698 kg/m3，给测量带来的误差为：
对脉冲、线性电流信号的仪表 (（3.1698 -3.0706）/3.0706)*100%=3.23%
对方根电流信号的仪表(（3.1698 -3.0706）/(2*3.0706))*100%=1.62%
如果采用单温度补偿，依据170℃查饱和蒸汽表得到密度为4.1229kg/m3，给测量带来的误差为：
对脉冲、线性电流信号(（4.1229- 3.0706）/3.0706)*100%=34.27%
对方根电流信号 (（3.1698 -3.0706）/(2*3.0706))*100%=17.14%
从上述可以看出，对于饱和蒸汽采用单参数补偿查表法求取密度，当蒸汽发生相变时会给测量带来误差，但是采用单压力补偿的误差要小于单温度补偿。
d）过热蒸汽变为饱和蒸汽。由于大多数的过热蒸汽测量系统基本都采用压力和温度双补偿，所以如果积算仪表的蒸汽密度是采用IFC1967 公式动态计算的，则这个相变对测量无影响。如果采用查表法取得蒸气密度，当过热蒸汽变为饱和蒸汽后可能查不到对应的密度。因为在运算仪表内的《过热蒸气密度表》，通常只列出过热蒸汽范围的压力、温度数据，处于饱和状态下的数据一般不提供。例如现场实际表压0.8MPa、温度170℃。该表压0.8MPa 对应的饱和温度为 =175 s t .36℃，而实际温度170℃＜ s t 明显已经处于饱和状态，因该压力下数表提供的可查温度范围t＞175℃，所以无对应的温度可查。即使仪表内装有《饱和蒸汽密度表》，但是如果没有蒸汽状态判断程序，仪表是不能自动转查《饱和蒸汽密度表》的，由此测量误差便会产生。
1.2 饱和蒸汽密度失准问题
1.2.1 失准原因分析这里所说的饱和蒸汽密度不准确，是指脱离了临界饱和状态的蒸汽，也就是常说的湿饱和蒸汽。湿饱和蒸汽是汽液两相共存的状态，它是蒸汽和水的混合物，属于复杂的单工质气液两相流体。由于目前的流量仪表的技术性能都是在单相流状态下定义的，对于脱硝烟气流量计测量气液两相流的仪表，多年来尽管人们不断地进行了研究和探讨，也提出了一些运算数学模型，但是适用范围和测量准确度都不够理想，所以准确测量气液两相流的仪表仍是今后需要努力的方向。鉴于介质两相流型的复杂多变，本文这里讨论的湿饱和蒸汽密度的计算，其湿度也只能界定在某一范围内，并认为气液是均相流动的状态为前提。湿饱和蒸汽的形成是在实际使用中的产生的，例如热电厂送出的饱和蒸汽经过管道较长距离的输送，就会有部分蒸汽程度不等的变成冷凝水而成为湿饱和蒸汽。湿饱和蒸汽的密度与临界饱和蒸汽（以下称为干饱和蒸汽）的密度是不同的。而目前使用的两个饱和蒸汽密度表（以压力和温度为自变量）中提供的蒸汽密度，均为干饱和蒸汽的密度值，数表中之所以不列入湿饱和蒸汽密度的数据，是因该数据还不能准确得到。因为要想准确得到湿饱和蒸汽的密度，就必须知道饱和蒸汽的干度指标x或者湿度指标y，但是由于技术上的原因，目前还不能在线准确获得，这就是本文所指出的，当饱和蒸汽脱离临界饱和状态变为湿饱和蒸汽后，其密度不准确的原因。例如已知饱和蒸气工作绝压为0.48 MPa，若已知湿度y为5%（x =0.95），看一下密度的差别。
查表得到饱和蒸气密度g r =2.5683 kg/m3，湿饱和蒸汽实际密度为H r =2.7034 kg/m3。
查表得到的干饱和蒸汽的密度与实际湿饱和蒸汽的密度误差为：
((2.5683- 2.7034)/ 2.7034) *100%» 100 5.0%
如果蒸汽的湿度y不同，即使仍然处于工作绝压为0.48 MPa 状态下，将会得到不同的密值，可自行验算这里不再举例了。
1.2.2 失准带来的影响
饱和蒸汽含水所产生的脱硝烟气流量计流量测量误差，引起*大的纠纷就是在贸易结算计量上。供方和收方在一根管道上装有同样的流量计，在供方由于距离热源较近，饱和蒸汽中的的水滴含量可能很少，对测量影响较小。而在收方由于长距离输送会导致部分蒸汽冷凝的水滴含量增大，对测量的影响必然较大。尽管供、收双方的流量仪表都是正常的，但是供大于收的计量误差是常常发生的。例如在供收双方流量仪表都用脱硝烟气流量计，在双方仪表都正常的情况下，供方瞬时流量显示5.2t/h时，在收方可能只有4.9t/h显示值，误差为－5.77%甚至示值不稳定，这就是接收方的蒸汽中含水原因所造成的。如果收方将管道的积水及时放掉，能使脱硝烟气流量计示值恢复稳定，但上述差量可能会仍然存在。因为在供方测量的几乎是“蒸汽的总的质量流量”，而在收方“有一部分汽体冷凝成液体了”，这些液体不会被检测到或是被排放掉，从而导致质量流量减少，误差也就产生了，（当然不排除水滴使少量脉冲漏计造成的部分误差），这个误差完全不是双方仪表有问题造成的，而是湿蒸汽密度不能准确得到造成的。由此常常导致供收双方多次拆下流量仪表外送校验，造成白白耗费时间财力却无功而返。
举例说明如下，用脉冲信号的脱硝烟气流量计测量饱和蒸汽流量，当饱和蒸汽由干饱和蒸汽变为湿饱和蒸汽后，计算一下对流量测量带来的误差。若已知蒸汽湿度5%，绝压为0.40 MPa，查表密度g r 为2.1635 kg/m3，湿蒸汽实际密度为H r 为2.2773 kg/m3，仪表系数K =0.3396。
当测量频率为f =135.8Hz 时，采用不同的密度得到的测量结果。依据脉冲涡街质量流量运算式 q m =( 3.6 f / K)* ρ1
查表密度流量为qm=((3.6*135.8)/0.3396)*2.1635=3114.523kg/h
实际密度流量为qm=((3.6*135.8)/0.3396)*2.2773=3278.346kg/h
误差qm=((3114.523-3278.346)/3278.346)*100%=-4.997%
从计算结果看饱和蒸汽湿度在5%的情况采用查表密度测量，将会造成约-5%的流量误差。
1.2.3 湿饱和蒸汽密度的计算
如前所述，下面介绍的湿饱和蒸汽密度的计算，是界定在一定范围的基础上进行的，其界定的范围如下。当蒸汽湿度y≤5%时（干度x在99%～95%间），可认为气液是均相流动，气液速度基本相等，即速度比K≈1，可用下式（1）或（2）计算密度，其准确度是可信的。当湿蒸汽湿度6%≤ y≤10%左右时（干度x在94%～90%间），流动状况会从“均相流动”状态，依据水平管道或垂直管道流向的不同，逐渐变成复杂的流动状态。如果对计算准确度要求不高的话，也可用式（1）或（2）尝试计算，但是密度误差会大于y≤5%时的状态，具体数值不能确定。当湿蒸汽湿度y＞10%后（干度x＜90%），不能用下式求取湿蒸汽实际密度，因为流动状态已经不是均相流动状态，其速度比K≠1 了。
2、蒸汽问题的解决方案
2.1 蒸汽相变问题的解决方法
a）一是对可能产生相变的脱硝烟气流量计测量系统有一个事先预防措施，就是在设计时无论是测量饱和蒸汽还是过热蒸汽，一律采用压力和温度双补偿。这样虽然一次性成本费用有所增大，但是从长远利益来看，无疑是减少矛盾、增加效益的良方。二是*好采用具有“IFC1967 公式动态计算蒸汽密度”的积算仪，它能根据测量的压力温度识别蒸汽的状态，及时计算出过热状态、饱和状态下的蒸汽密度。目前市场上已经有了具有此功能的智能流量积算仪如FLC-2800。当然也可采用同时装有《饱和蒸汽密度表》和《过热蒸汽密度表》、且具有判断蒸汽状态功能的积算仪。以便可以根据蒸汽的实际状态及时查找不同的数表，从而得到蒸汽的密度值。
b）对于饱和蒸汽单参数补偿的系统，尽量采用压力补偿，这样即使发生了相变，也会使误差远小于单温度补偿的系统。
c）流量计安装地点应妥善考虑，应选择不容易导致蒸汽发生相变的位置，如避开经常有减压操作的设备和减压阀门后面，输送蒸汽的管道和脱硝烟气流量计测量传感器加强保温措施等。
2.2 饱和蒸汽密度不准的解决方法
对于湿饱和蒸汽密度需要知道蒸汽的干度或湿度，而这个数据目前又难以在线得到的问题，笔者提出了一个解决方案供大家讨论。
供收双方在确认了双方流量仪表都处于正常良好的工作状态前提下，可以根据长期存在的差量和现场的实际工况，根据经验确定出不同时间段湿蒸汽的含水程度，然后在积算仪表内设置相应的湿度补偿运算公式，通过人工输入蒸汽干度x或湿度y数值，就可以对湿饱和蒸汽进行湿度补偿运算。只要湿度指标估算基本正确，双方差量的矛盾就可以大大缓解。

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